JP2012003906A - シャフト付きヒータユニットおよびシャフト付きヒータユニット製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒータプレート材料として強度が高い材料を複合化することにより、使用温度範囲でのヒータ強度を向上するとともに、ヒータ温度分布を改善するシャフト付きヒータユニットを提供する。
【解決手段】ヒータプレート１と、ヒータプレート１を支持するシャフト部２を有するシャフト付きヒータユニット１００であって、ヒータプレート１は、シャフト部２と接合される平板状のベース部３と、ヒータプレート１の使用温度域における強度がベース部３を構成する材料より高い材料から選択された固相状態の材料粉末を、該材料粉末の融点より低い温度に加熱した圧縮ガスとともにベース部３上に吹き付けることにより積層されたプレート部４と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板を支持しながら加熱するシャフト付きヒータユニットおよびシャフト付きヒータユニット製造方法に関する。

半導体基板の製造プロセス、例えばアニール処理等において、真空チャンバ内で半導体基板を加熱処理しているが、半導体基板を均一に加熱し、温度分布を少なくすることは歩留まりに大きな影響を及ぼすものであり、近年、より厳密な温度制御が望まれている。

この半導体基板の加熱処理において、半導体基板を支持しながら加熱するシャフト付きヒータが知られている（たとえば、特許文献１参照）。シャフト付きヒータは、被加熱物である半導体基板を載置し、内部にシースヒータが埋め込まれたヒータプレートと、該ヒータプレートを支持するシャフトから構成され、該シャフト付きヒータのヒータプレートの材料は、ヒータの使用温度範囲、即ち、被加熱物である半導体基板の加熱温度を考慮して選択されている。

特開２００９−１７６５６９号公報

ところで、ヒータプレートの材料として、一般に熱伝導率が高いアルミニウムまたはアルミニウム合金が好適に使用されているが、ヒータを高温で連続使用するような場合、ヒータプレート中央部をシャフトで支持するシャフト付きヒータでは、シャフトで支持されないヒータプレート外周部にたわみが発生し、被加熱物の温度制御を精密に行うことができないおそれがある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ヒータ強度を向上し、これによりヒータ温度分布を改善することができるシャフト付きヒータユニットおよびシャフト付きヒータユニット製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るシャフト付きヒータユニットは、被加熱物を載置して加熱するヒータプレートと、該ヒータプレートを支持するシャフトを有するシャフト付きヒータユニットであって、前記ヒータプレートは、前記シャフトと接合される平板状のベース部と、前記ヒータプレートの使用温度域における強度が前記ベース部を構成する材料より高い材料から選択された固相状態の材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度で前記ベース部上に吹き付けることにより積層されたプレート部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係るシャフト付きヒータユニットは、上記発明において、前記ヒータプレートは、前記ベース部と同一の材料からなる固相状態の材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度で前記プレート部上に吹き付けることにより積層されてなり、被加熱物を載置する載置部を備えることを特徴とする。

また、本発明に係るシャフト付きヒータユニットは、上記発明において、前記ヒータプレートは、該ヒータプレート外周部を覆う皮膜層を備え、前記皮膜層は、前記ベース部と同一の材料からなる固相状態の材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度で前記ヒータプレート外周部に吹き付けることにより積層されたことを特徴とする。

また、本発明に係るシャフト付きヒータユニットは、上記発明において、前記ヒータプレートは、前記プレート部中にシースヒータを配置することを特徴とする。

また、本発明に係るシャフト付きヒータユニットは、上記発明において、前記ベース部はアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、前記プレート部は銅または銅合金からなることを特徴とする。

また、本発明に係るシャフト付きヒータユニット製造方法は、被加熱物を載置して加熱するヒータプレートと、該ヒータプレートを支持するシャフトを有するシャフト付きヒータユニット製造方法であって、前記シャフトと接合される平板状のベース部に、シースヒータを配置する配置工程と、前記ヒータプレートの使用温度域における強度が前記ベース部を構成する材料より高い材料から選択された固相状態の材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度で前記ベース部上に吹き付けることにより、プレート部を形成するプレート部積層工程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係るシャフト付きヒータユニット製造方法は、上記発明において、前記ベース部を構成する材料と同一の材料で構成される固相状態の材料粉末を、該材料粉末の融点より低い温度に加熱した圧縮ガスとともに前記プレート部上に吹き付けることにより、前記プレート部に積層され、前記被加熱物を載置する載置部を形成する載置部積層工程を含むことを特徴とする。

また、本発明に係るシャフト付きヒータユニット製造方法は、上記発明において、前記ベース部を構成する材料と同一の材料で構成される固相状態の材料粉末を、該材料粉末の融点より低い温度に加熱した圧縮ガスとともに前記ヒータプレート外周部に吹き付けることにより、前記ヒータプレート外周部を覆う皮膜層を形成する皮膜層積層工程を含むことを特徴とする。

本発明のシャフト付きヒータユニットは、被加熱物を載置するヒータプレートが、該ヒータプレートの使用温度範囲を考慮した第１の材料で構成されたベース部と、前記ヒータプレートの使用温度域における強度が前記ベース部を構成する材料より高い第２の材料で構成されたプレート部からなり、前記プレート部を、固相の粉末材料を融点以下の圧縮ガスでそれぞれ溶射し積層する、いわゆるコールドスプレー法で形成することにより、プレートヒータを高温域で使用する場合でも、プレートヒータの外周部のたわみを防止するとともに、ヒータの温度分布を改善し、かつ熱疲労によるヒータプレートの異材界面における剥がれ、ひび割れ等を効果的に防止しうるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態に係るシャフト付きヒータユニットの構成を示す断面図である。 図２は、本発明の実施の形態に係るシャフト付きヒータユニットの製造工程を説明するフローチャートである。 図３は、本発明の実施の形態に係るシャフト付きヒータユニットの製造に使用される溶射装置の一例の概要を示す説明図である。 図４は、本発明の実施の形態に係るシャフト付きヒータユニットの製造工程を示す断面図である。 図５は、本発明の実施の形態に係るシャフト付きヒータユニットの製造工程を示す断面図である。 図６は、本発明の実施の形態に係るシャフト付きヒータユニットの製造工程を示す断面図である。 図７は、本発明の実施の形態の変形例１に係るシャフト付きヒータユニットの構成を示す断面図である。 図８は、本発明の実施の形態の変形例２に係るシャフト付きヒータユニットの構成を示す断面図である。 図９は、本発明の実施の形態の変形例３に係るシャフト付きヒータユニットの構成を示す断面図である。 図１０は、図９に示すシャフト付きヒータユニットのＸ−Ｘ断面図である。

以下に、本発明にかかるシャフト付きヒータユニットおよびシャフト付きヒータユニット製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

図１は、本発明の実施の形態に係るシャフト付きヒータユニット１００の構成を示す断面図である。シャフト付きヒータユニット１００は、略円板状のヒータプレート１と、ヒータプレート１を支持するシャフト部２と、を備える。シャフト付きヒータユニット１００は、通常、半導体製造装置の反応室であるプロセスチャンバ内の箱状のハウジング内に設置され、該ハウジング内は真空状態となるよう気密性を有している。本実施の形態では、円板状のヒータプレートを使用するが、これに限定されるものではなく、被加熱物の形状等を考慮すれば矩形状であってもよい。

ヒータプレート１は、シャフト部２と接合されるベース部３と、ベース部３上に積層されるプレート部４と、被加熱物である半導体基板を載置する載置部５と、を備える。

ベース部３は、中心部に円状の開口部１０を有し、ベース部３上には、略一面にシースヒータ６が配置される。シースヒータ６に電力を供給する電力供給線７が、開口部１０を介して外部電源と接続される。ベース部３および後述する載置部５は、同一の材料であり、ヒータプレート１としての使用温度範囲に基づき材料は適宜選択される。ヒータプレート１の材料として好ましい材料として、熱伝導率の高い金属、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金（熱伝導率：１００〜２４０Ｗ／ｍ・Ｋ、常温時）が好適に使用されるが、これに限定されず、ヒータプレート１の使用温度範囲によって、鉄または鉄合金（熱伝導率：１０〜８０Ｗ／ｍ・Ｋ、常温時）、銅または銅合金（熱伝導率：１００〜４００Ｗ／ｍ・Ｋ、常温時）、ニッケルまたはニッケル合金（熱伝導率：５〜１００Ｗ／ｍ・Ｋ、常温時）、チタンまたはチタン合金（熱伝導率：５〜３０Ｗ／ｍ・Ｋ、常温時）、インジウム（熱伝導率：８２Ｗ／ｍ・Ｋ、常温時）、鉛（熱伝導率：３５Ｗ／ｍ・Ｋ、常温時）、マグネシウム（熱伝導率：１５６Ｗ／ｍ・Ｋ、常温時）、錫（熱伝導率：６７Ｗ／ｍ・Ｋ、常温時）、銀（熱伝導率：４２０Ｗ／ｍ・Ｋ、常温時）、亜鉛（熱伝導率：１１６Ｗ／ｍ・Ｋ、常温時）等から選択されてもよい。

プレート部４は、ベース部３上に一様に積層される。プレート部４は、ヒータプレート１の使用温度域における強度がベース部３を構成する材料より高い材料から選択される。ここで、強度とは、材料の使用温度域における機械的強度を意味し、使用温度域におけるヤング率や、引張強さ等を考慮して材料を選択すればよい。表１に、使用可能な金属材料（純金属またはその合金）の常温時におけるヤング率を示す。

ベース部３としてアルミニウムまたはアルミニウム合金が選択される場合、プレート部４の材料は、これより機械的強度が高い材料、例えば、銅または銅合金が使用される。プレート部４をベース部３よりヒータプレート１の使用温度範囲の機械的強度の高い材料で構成すると、使用温度範囲の上限域で連続的に使用した場合でも、後述するシャフト部２で支持されないヒータプレート１の外周部のたわみを防止することができる。なお、ベース部３とプレート部４の厚さは、ヒータプレート１の径の大きさ、厚みに加え、ベース部３およびプレート部４として選択された各材料の熱伝導率および機械的強度を考慮して、ヒータプレート１の温度分布が使用温度範囲において一様となるように適宜調整する。

載置部５は、プレート部４上に積層され、被加熱物である半導体基板を載置する。載置部５には、半導体基板とヒータプレート１の表面（載置部５）との接触を低減させるスペーサを設置してもよい。本実施の形態にかかるシャフト付きヒータプレート１００は載置部５を備えるが、必ずしも載置部５を設ける必要はなく、プレート部４上に被加熱物を載置してもよい。

シャフト部２は、ヒータプレート１を支持するシャフト本体部８と、ヒータプレート１と接合するためのフランジ部９とを備える。シャフト本体部８は、中空円筒形状であり、電力供給線７が内部に配置される。フランジ部９は、ヒータプレート部のシャフト側に配置するベース部３と溶接またはろう付け等によって接合される。本実施の形態にかかるシャフト付きヒータ１００は、フランジ部９を介してシャフト部２とヒータプレート１とを接続しているが、フランジ部９を設けることなく、シャフト部２の端部とヒータプレート１とを溶接またはろう付け等によって接合してもよい。なお、シャフト部２及びベース部３についても、後述するコールドスプレー法により積層形成することができる。

次に、図２〜６を参照して、本発明の実施の形態に係るシャフト付きヒータユニット１００の製造工程を説明する。図２は、本発明の実施の形態に係るシャフト付きヒータユニット１００の製造工程を説明するフローチャートである。図３は、本発明の実施の形態に係るシャフト付きヒータユニットの製造に使用される溶射装置の一例の概要を示す説明図である。図４〜６は、シャフト付きヒータユニット１００の製造工程を説明する断面図である。

図２のフローチャートに示すように、まず、ベース部３の開口部１０をマスキング部材１１でマスキングする（ステップＳ１０１）。ベース部３は、切削や鋳造などにより加工成形したものを使用すればよい。その後、図４に示すように、ベース部３の略一面にシースヒータ６を配置する（ステップＳ１０２）。

その後、ベース部３上に、プレート部４の粉末材料を、図３に示すような溶射装置５０を用いてコールドスプレーすることによって、プレート部４を形成する（ステップＳ１０３、図５参照）。溶射装置５０は、圧縮ガスを融点以下に加熱するガス加熱器４０と、被溶射物に溶射する粉末材料を収容し、スプレーガン４４に供給する粉末供給装置４１と、スプレーガン４４で過熱された圧縮ガスと混合された材料粉末を基材に噴射するガスノズル４５とを備えている。

圧縮ガスとしては、ヘリウム、窒素、空気などが使用される。供給された圧縮ガスは、バルブ４２および４３により、ガス加熱器４０と粉末供給装置４１にそれぞれ供給される。ガス加熱器４０に供給された圧縮ガスは、溶射材料の融点より低い温度、例えば５０〜７００℃に加熱された後、スプレーガン４４に供給される。より好ましくは、圧縮ガスにより加熱された溶射材料粉末の上限温度は、材料の融点以下に留める。粉末加熱温度を材料の融点以下に留めることにより、材料の酸化を抑制できるためである。粉末供給装置４１に供給された圧縮ガスは、粉末供給装置４１内の、例えば、粒径が１０〜１００μｍ程度の材料粉末をスプレーガン４４に所定の吐出量となるように供給する。加熱された圧縮ガスは先細末広形状のガスノズル４５により超音速流（約３４０ｍ／ｓ以上）にされる。スプレーガン４４に供給された粉末材料は、この圧縮ガスの超音速流の中への投入により加速され、固相状態のまま基材に高速で衝突して皮膜を形成する。材料粉末を基材に固相状態で衝突させて皮膜を形成できる装置であれば、本実施の形態に係るシャフト付きヒータユニット１００の製造に使用可能であり、図３の溶射装置５０に限定されるものではない。

ステップＳ１０３の後、図６に示すように、載置部５の粉末材料を、プレート部４上にコールドスプレーにより積層して、所望の厚さ分の載置部５を形成する（ステップＳ１０４）。

すべての材料の積層終了後、マスキング部材１１を除去し（ステップＳ１０５）、シャフト部２のフランジ部９とヒータプレート１のベース部３とを、溶接またはろう付けにより接合する（ステップＳ１０６）。続いて、シャフト部２およびベース部３の開口部１０を介して、電力供給線７とシースヒータ６とを接続する（ステップＳ１０７）。なお、シースヒータ６がシャフト部２から飛び出す程度に長い場合は電力供給線７の接続が不要な場合もある。

上述した製造工程において、切削または鋳造などにより予め所定形状に成形されたベース部３を使用してシャフト付きヒータユニット１００を製造しているが、ベース部３ならびにシャフト部２も、プレート部４および載置部５と同様に、コールドスプレー法によりそれぞれ成形してもよい。

上記のように、異なる材料を用いてコールドスプレー法によりヒータプレート１を製造した場合、圧縮ガス温度が低いため、使用する材料の酸化や熱変質がほとんどなく、緻密で密着力が高い皮膜を形成することが出来る。また、コールドスプレー法によれば、任意の箇所に必要な材料を積層できるため、ヒータプレート１の使用温度範囲での強度が高い材料を複合化することにより、ヒータ強度を向上し、ヒータプレート１の温度分布を効果的に改善できる。さらに接合時の温度を低くできるため、材料間に熱膨張差によるひずみの蓄積がなく、材料界面での剥がれ、ひび割れを防止できるという優れた効果を有する。

なお、実施の形態にかかるシャフト付きヒータユニット１００の変形例１として、図７に示すシャフト付きヒータユニット１００Ａが例示される。シャフト付きヒータユニット１００Ａは、ベース部３Ａの中心部に開口部を有していない。したがって、プレート部４をコールドスプレー法により積層する場合に、マスキングする必要がなく、工程を短縮して製造することができる。

また、実施の形態にかかるシャフト付きヒータユニット１００の変形例２として、図８に示すシャフト付きヒータユニット１００Ｂが例示される。シャフト付きヒータユニット１００Ｂは、ヒータプレート１Ｂ外周部を覆う皮膜層１２を備える。例えば、ベース部３および載置部５をアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成し、プレート部４の材料として、アルミニウムまたはアルミニウム合金より強度が高い銅または銅合金を選択した場合、プレート部４からの銅の拡散による被加熱物である半導体基板への銅汚染を防止するために、皮膜層１２を備えることが好ましい。皮膜層１２は、ベース部３および載置部５と同様に、アルミニウムまたはアルミニウム合金とすることが好ましい。皮膜層１２は、固相状態の材料粉末を、該材料粉末の融点より低い温度に加熱した圧縮ガスとともにヒータプレート１Ｂ外周部に吹き付けることにより積層し、形成する。

さらに、実施の形態にかかるシャフト付きヒータユニット１００の変形例３として、図９および１０に示すシャフト付きヒータユニット１００Ｃが例示される。シャフト付きヒータユニット１００Ｃのヒータプレート１Ｃは、シャフト部２と接合されるベース部３と、ベース部３上に積層される第１プレート部４Ａおよび第２プレート部４Ｂと、被加熱物である半導体基板を載置する載置部５と、を備える。第１プレート部４Ａは、図１０に示すように、ベース部３上に中心から放射状の形状に積層される。第１プレート部４Ａは、ヒータプレート１の使用温度域における強度がベース部３を構成する材料より高い材料から選択される。第２プレート部４Ｂは、ベース部３上に第１プレート部４Ａの間を埋めるように積層される。第２プレート部４Ｂは、ベース部３を構成する材料と同じ材料から選択される。変形例３にかかるシャフト付きヒータユニット１００Ｃは、第１プレート部４Ａをベース部３上に放射状に形成することにより、ヒータプレート１Ｃを使用温度範囲の上限域で連続的に使用した場合でも、シャフト部２で支持されないヒータプレート１の外周部のたわみを防止することができる。

本発明は、異なる材料を接合してなるシャフト付きヒータユニットおよびシャフト付きヒータユニット製造方法に利用可能であり、特に、半導体製造装置で使用されるシャフト付きヒータに有用である。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ ヒータプレート
２ シャフト部
３、３Ａ ベース部
４ プレート部
４Ａ 第１プレート部
４Ｂ 第２プレート部
５ 載置部
６ シースヒータ
７ 電力供給線
８ シャフト本体部
９ フランジ部
１０ 開口部
１１ マスキング部材
４０ ガス加熱器
４１ 粉末供給装置
４２、４３ バルブ
４４ スプレーガン
４５ ガスノズル
５０ 溶射装置
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ シャフト付きヒータユニット

Claims (8)

1. 被加熱物を載置して加熱するヒータプレートと、該ヒータプレートを支持するシャフトを有するシャフト付きヒータユニットであって、
   前記ヒータプレートは、
   前記シャフトと接合される平板状のベース部と、
   前記ヒータプレートの使用温度域における強度が前記ベース部を構成する材料より高い材料から選択された固相状態の材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度でベース部上に吹き付けることにより積層されたプレート部と、
   を備えることを特徴とするシャフト付きヒータユニット。
2. 前記ヒータプレートは、
   前記ベース部と同一の材料からなる固相状態の材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度で前記プレート部上に吹き付けることにより積層されてなり、被加熱物を載置する載置部を備えることを特徴とする請求項１に記載のシャフト付きヒータユニット。
3. 前記ヒータプレートは、該ヒータプレート外周部を覆う皮膜層を備え、前記皮膜層は、前記ベース部と同一の材料からなる固相状態の材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度で前記ヒータプレート外周部に吹き付けることにより積層されたことを特徴とする請求項２に記載のシャフト付きヒータユニット。
4. 前記ヒータプレートは、前記プレート部中にシースヒータを配置することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のシャフト付きヒータユニット。
5. 前記ベース部はアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、前記プレート部は銅または銅合金からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のシャフト付きヒータユニット。
6. 被加熱物を載置して加熱するヒータプレートと、該ヒータプレートを支持するシャフトを有するシャフト付きヒータユニット製造方法であって、
   前記シャフトと接合される平板状のベース部に、シースヒータを配置する配置工程と、
   前記ヒータプレートの使用温度域における強度が前記ベース部を構成する材料より高い材料から選択された固相状態の材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度で前記ベース部上に吹き付けることにより、プレート部を形成するプレート部積層工程と、
   を含むことを特徴とするシャフト付きヒータユニット製造方法。
7. 前記ベース部を構成する材料と同一の材料で構成される固相状態の材料粉末を、該材料粉末の融点より低い温度に加熱した圧縮ガスとともにプレート部上に吹き付けることにより、前記プレート部上に積層され、前記被加熱物を載置する載置部を形成する載置部積層工程を含むことを特徴とする請求項６に記載のシャフト付きヒータユニット製造方法。
8. 前記ベース部を構成する材料と同一の材料で構成される固相状態の材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度で前記ヒータプレート外周部に吹き付けることにより、前記ヒータプレート外周部を覆う皮膜層を形成する皮膜層積層工程を含むことを特徴とする請求項７に記載のシャフト付きヒータユニット製造方法。

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